陈旧性前交叉韧带损伤患者的膝关节三维运动学分析*

杨登军,张奇爱,钟瑞颖,张瑶璋,张 红,王福科△

(昆明医科大学第一附属医院 1.运动医学科 2.精神科,云南 昆明 650032)

膝关节前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)损伤是较为常见的膝关节运动损伤[1],ACL损伤后由于肌肉代偿等各种因素使得部分患者膝关节不稳表现并不明显,易出现诊治不当而成为慢性损伤患者,长期未获得及时治疗可继发半月板或软骨损伤,加速膝关节退行性变[2,3]。本研究主要通过比较陈旧性ACL损伤患者与健康成人的三维步态,分析陈旧性ACL损伤患者的膝关节运动周期和三维六自由度平均值的运动学特点,现报道如下。

1 材料与方法

1.1 研究对象

实验组30名(男12名,女18名),均为2021年9月-2022年11月于本院运动医学科门诊就诊并诊断为陈旧性前交叉韧带断裂的患者;对照组30名(男12名,女18名),均为本科室曾招募的健康成年志愿者。2组的一般资料,见表1。

表1 一般资料

实验组纳入标准:(1)年龄>18岁骨性成熟者;(2)单侧膝关节陈旧性前交叉韧带损伤;(3)双下肢发病前活动功能正常;(4)行走无障碍且能配合完成测试者。排除标准:(1)合并后交叉韧带、内外侧副韧带损伤及其他膝关节疾病;(2)需要搀扶或使用拐杖者;(3)合并严重心肺等疾病者;(4)有精神疾病者不能配合完成测试者。

1.2 研究设备

Opti_Knee膝关节三维运动测量分析系统。设备组成:高速摄像机、红外立体追踪镜头及配套步态分析主机,图1a、双向自动跑步机,见图1b及标记探针,见图1c等。

图1 主要研究设备实体图

1.3 膝关节步态采集流程

(1)启动Opti_Knee膝关节三维运动测量分析系统,创建被检者基本信息,见图2a;

图2 步态采集流程图

(2)嘱被检者充分暴露双膝关节后站于双向自动跑步机上,将带有反光刚体的标记组件松紧适宜地分别绑于双侧大腿下1/3和小腿上1/3处,见图2b;

(3)调整系统屏幕可清晰观察到被检者双下肢,使用标记探针按系统界面提示依次标记股骨大转子、股骨外上髁、股骨内上髁、外踝、内踝共5个体表骨性标记点,见图2c;

(4)点击“采集数据”,选择对应被检膝关节,点击“连接”使得标记组件通过红外立体追踪镜头与系统主机相关联,系统显示8个绿点则表示连接成功,见图2d;

(5)根据要测膝关节的左侧或右侧,启动双向自动跑步机传送方向(正向或反向),逐渐从低速加速至3km/h并保持恒定,待被检者适应该步行速度后点击“采集”,系统自动倒计时15s并采集被检者步态数据,见图2e;

(6)采集完毕后系统将自动生成膝关节运动测试报告,向被检者解释其报告结果,整理相关设备物品,检查完毕,见图2f。

1.4 步态采集指标

膝关节运动周期(步频、最大步长、最小步长、平均步长)和三维六自由度(屈伸角、内外翻角、内外旋角、前后位移、上下位移、内外位移)平均值。

1.5 统计学分析

2 结果

实验组的步频、屈伸角、前后位移与健康成人比较差异具有统计学意义(P<0.05),而最大步长、最小步长、平均步长、内外翻角、内外旋角、上下位移、内外位移与健康成人比较差异无统计学意义(P>0.05),见表2、表3、表4。

表2 患膝与对照组步频(步/s)、最大步长、最小步长、平均步长比较

表3 患膝与健康成人屈伸角、内外翻角、内外旋角比较

表4 患膝与健康成人前后位移、上下位移、内外位移比较

2.1 运动周期指标

2.2 膝关节三维六自由度指标

3 讨论

3.1 膝关节步态运动学分析系统的应用

膝关节步态分析主要用于评估因外伤或疾病导致的膝关节步态异常、术后膝关节疗效评价等,指导诊断、治疗和康复[4],尤其在ACL损伤患者的应用中,膝关节三维运动学分析有着不容忽视的临床应用价值[5],具有客观、立体、无创、实时、动态、无辐射等优点[6]。然而,临床应用中步态分析也有其局限性。首先,膝关节步态分析主流系统种类不一[7],系统的不一致可能导致各测量分析系统间的数据难以统一标准化,其可比性也有待进一步研究;其次,测量过程中不同步速的设定对膝关节运动学的改变尚未深入研究[8];最后,国内膝关节步态分析的规范性文件指引较少,邢丹等[9]在2020年首次在国内发表了步态图评估膝关节运动功能的专家共识,但其共识是基于西方的三维步态分析系统公司提供的数据库,基于国内人群数据库的专家共识有待进一步提出。

3.2 膝关节前交叉韧带损伤三维运动学分析

前交叉韧带的功能主要包括生物力学功能和本体感觉功能两个方面[10,11]。一方面,生物力学功能主要包括限制胫骨前移、膝关节过伸、内外旋及内外翻等;另一方面,ACL表面存在着一种特殊的本体感觉。因此,ACL损伤会引起膝关节的生物力学功能和本体感觉功能的改变,进而导致膝关节步态的异常,因而对ACL损伤及重建后的患者进行膝关节步态分析成为国内外近年来的研究热点之一。

陈旧性前交叉韧带损伤患者行走时的膝关节不稳定性难以察觉,但三维步态分析可以表现出关节运动学的细微变化。在本研究中,陈旧性前交叉韧带损伤患者的前后位移明显高于健康成人,而上下位移和内外位移并未表现出异常,可能是因为膝关节作为一个整体,肌肉、韧带及筋膜等代偿的结果。Zarins B等[12]提出膝关节的旋转不稳定性与膝关节屈曲角度之间存在密切关系,认为前交叉韧带损伤的患者在静态条件下低屈曲角度下的内旋运动范围明显大于高屈曲角度下的运动范围。Zhang Y等[13]认为ACL损伤患者出于自身保护反应,膝关节屈伸活动度减小以避免膝关节疼痛,这也与本研究的结果相符。

Sonnery-Cottet B等[14]通过研究认为髂胫束、前外侧韧带等和ACL一起提供了膝关节的旋转稳定性,当ACL损伤后可能对旋转稳定性产生部分代偿;Yang Chen等[15]认为陈旧性前交叉韧带损伤时膝关节的胫骨内旋增加,然而在步行和跑步时这种差异并不显著,这也与本研究陈旧性ACL患者行走时的内外旋角与健康成人无明显差异相符合。然而,部分研究[16,17]指出ACL损伤后其膝关节旋转稳定性下降,因此,关于ACL损伤后膝关节稳定性的不同研究观点有待深入探讨和统一。另外,本研究仅仅测试了平步向前行走的三维步态,侧身或旋转等运动对于评估ACL损伤患者膝关节的旋转稳定性显然需要更进一步研究。

4 结论

与健康成人的膝关节的运动周期和三维六自由度平均值相比,陈旧性前交叉韧带损伤患者的步频变快、屈伸角减小、前后位移增大。